专利名称：电响应胶体晶体薄膜的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种电响应胶体晶体薄膜其制备方法，特别是将含聚羧酸的单分散微球组装成胶体晶体薄膜后通过施加电场改变聚羧酸周围的酸碱特性而促进胶体晶体的周期结构发生改变并进一步引发颜色的变化。该方法可以应用于显示及传感领域。
背景技术：
胶体晶体是由单分散的微米或亚微米无机或有机微球(也称胶体微球)形成的具有三维有序结构的一类物质。在自然界二氧化硅微球的有序沉积形成天然的胶体晶体称为蛋白石，因而人们也把非天然的胶体晶体称作合成蛋白石。由于胶体晶体在包括结构色(涂料、标记)、多孔材料(传感、催化)、及由于胶体晶体作为光子晶体的一种所导致的其在包括通信、电磁防护等领域的广泛的应用价值，胶体晶体的研究受到了学术界、产业界人士的广泛关注。
在胶体晶体中对外界刺激能够响应的称为智能响应胶体晶体，由于其能够广泛应用于传感、控制器件等领域而受到人们的高度重视。目前人们已经开发了能够对光、热、离子响应的多种多样的智能胶体晶体。然而在电气化高度发达的今天，电场能够控制的材料往往由于其控制方便、易于自动化、低能耗等特点而享有对其它同类技术的优势。但是目前能够电控制的胶体晶体十分罕见。就胶体晶体所属的光子晶体而言也只有通过电场控制液晶进而控制光子晶体性能的一项技术。因此开发能够具有电响应活性的胶体晶体就成为一件很有意义的事情。
在智能响应材料中有一种叫聚羧酸的高分子类材料，它们会对酸碱产生快速、强烈、可逆的响应在碱性条件下膨胀，在酸性条件下收缩。其中目前常用的包括聚丙烯酸或者聚甲基丙烯酸。
而在电化学中人们发现通过控制电场可以轻易地控制电极附件水溶液的酸碱特性在一定的正电场作用下水所解离的氢氧根会在正电极上进行反应释放出氧气并使得附近氢离子富集而呈现为酸性；在一定的负电场的作用下水所解离的氢离子会在负极上反应释放出氢气并使得附近氢氧根富集而呈现为碱性。
因此如果在胶体晶体材料中引入聚羧酸类材料则所获得的胶体晶体就可能通过控制其附近电场而控制其附近酸碱特性并进一步控制胶体晶体的特征光谱。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种电响应胶体晶体薄膜、其制备方法及其应用，该方法能够方便廉价地实现对颜色的控制，因此可望广泛应用于显示器件或者光调控器件领域。
技术方案为此，本发明提出在将含聚羧酸的单分散微球所组装的胶体晶体薄膜与电极结合，然后通过控制电极电位而控制电极周围的酸碱变化并进一步控制电极附近胶体晶体颜色的变化。该方法操作简单，成本低廉，有可能作为新的显示器件或者光调控器件。
本发明的电响应胶体晶体薄膜的制备方法包括如下步骤A、由含聚羧酸的单分散微球组装而成含聚羧酸的胶体晶体薄膜，B、将含聚羧酸的胶体晶体薄膜通过胶体晶体与电极粘粘在一起，或是胶体晶体与电极机械夹持在一起，还可以是胶体晶体与电极在空间上分离但受到电极电场变化所引发的酸碱变化而与电极复合；所述的聚羧酸是指聚合物的单体含有羧基的聚合物。
含聚羧酸的单分散微球通过合成或者购买获得；所述的含聚羧酸的胶体晶体薄膜的组装选择通过垂直提拉法、或水平推拉法、或夹片溶剂挥发法、或电泳辅助沉积法、或离心沉积法、或自然沉降法中的一种。
所述的胶体晶体薄膜与电极的复合后的电响应控制通过对与含聚羧酸的胶体晶体薄膜复合的电极在水溶液中施加电场而可逆地控制其酸碱变化即当直流电源电压不小于5伏并且负极与胶体晶体薄膜接触或者在其附近时，负极附近呈现为碱性而使胶体晶体光谱向一个方向移动；而当电源正极与胶体晶体薄膜接触或者在其附近时，正极附近呈现为酸性而使胶体晶体光谱向相反方向移动从而进一步可逆地控制胶体晶体的光谱变化；通过控制电场变化而控制酸碱变化并进一步控制胶体晶体光谱变化的方法可以应用于显示、传感及光谱控制领域。
有益效果智能响应胶体晶体薄膜由于其在传感、控制器件等领域有着广泛应用价值而受到人们的高度关注。然而目前智能胶体晶体只能对光、热、离子等刺激响应，而电刺激响应的智能胶体晶体还十分罕见。而另外一方面电场能够控制的响应由于操控方便、易于与现有众多技术结合、易于自动化等特点而成为智能控制的一个重要选择。为此，本发明提出将能够对酸碱响应的聚羧酸与胶体晶体复合，并通过电场控制胶体晶体薄膜周围的酸碱特性而控制胶体晶体薄膜的光谱特性。该方法能够方便地应用于显示、传感等领域。
具体实施例方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1用量杯或吸液枪分别量取蒸馏水、甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸的体积配比为500毫升∶40毫升∶1毫升加入锥形瓶中，在搅拌和冷凝装置的作用下，将混合溶液加热到80℃，并通入氮气保护，然后加入1克偶氮引发剂到烧瓶中后，再保温8小时，使合成反应充分进行，将得到的乳白色悬浮液冷却到室温。然后通过12000转/分钟进行离心去除上清液即可获得聚甲基丙烯酸与聚甲基丙烯酸甲酯的共聚单分散微球。通过三次超声分散—离心用去离子水进行清洗即可获得提纯的聚甲基丙烯酸与聚甲基丙烯酸甲酯的共聚单分散微球。将该微球在去离子水中分散形成8wt％(质量百分浓度)的溶液。将导电玻璃用用0.5wt％的聚乙二醇水溶液处理后浸泡入上述单分散微球溶液中，并以1微米/秒的速度进行提拉。在导电玻璃上得到排列有绿色的胶体晶体薄膜。该薄膜依次用0.5wt％的聚丙烯胺盐酸盐水溶液及0.5wt％的聚苯乙烯磺酸钠水溶液进行处理。然后置于0.1M的高氯酸锂水溶液中并对胶体晶体薄膜用50伏直流电源施加10伏的正电压或者负电压，可以发现随电压正负的变化胶体晶体的颜色也会在青—绿间发生可逆变化。这是由于单分散微球表面的聚甲基丙烯酸受到电场控制的酸碱变化引起的。该薄膜可以用于颜色显示。
实施例2用量杯或吸液枪分别量取蒸馏水、丙烯腈和甲基丙烯酸的配比为500毫升∶40毫升∶1毫升加入锥形瓶中，在搅拌和冷凝装置的作用下，将混合溶液加热到80℃，加入1g偶氮引发剂到烧瓶中后，再保温8h，使合成反应充分进行，将得到的乳白色悬浮液冷却到室温。然后通过12000转/分钟进行离心去除上清液即可获得聚丙烯腈与聚甲基丙烯酸甲酯的共聚单分散微球。通过三次超声分散—离心用去离子水进行清洗即可获得提纯的聚甲基丙烯酸与聚丙烯腈的共聚单分散微球。将该微球在无水乙醇中分散形成15wt％(质量百分浓度)的溶液。将两块玻璃平行放置并在其中放置一块铂网，然后浸泡入单分散微球溶液中。随着溶剂的挥发，单分散微球会在含有铂网的两块玻璃间组装出蓝绿色的胶体晶体薄膜。将该薄膜用水清洗、干燥后在220摄氏度处理两小时。然后在100摄氏度的1M的氢氧化钠中处理10分钟后用清水清洗即可获得由交联聚丙烯酸构成的胶体晶体薄膜。将该薄膜置于0.1M的高氯酸锂水溶液中并通过电化学工作站CHI660以含有铂网的胶体晶体薄膜为工作电极，铂网为对电极而甘汞电极为参比电极对胶体晶体薄膜在3V——2V间进行循环伏安扫描，可以发现随电场变化胶体晶体颜色也会在蓝绿—淡蓝间发生可逆变化。这是由于单分散微球表面的聚丙烯酸受到电场控制的酸碱变化引起的。该薄膜可以用于可控滤色片。
权利要求
1.一种电响应胶体晶体薄膜的制备方法，其特征在于该制备方法包括如下步骤A、由含聚羧酸的单分散微球组装成含聚羧酸的胶体晶体薄膜，B、将含聚羧酸的胶体晶体薄膜通过胶体晶体薄膜与电极粘连在一起，或是胶体晶体薄膜与电极机械夹持在一起，或是胶体晶体薄膜与电极在空间上分离但受到电极电场变化所引发的酸碱变化而与电极复合。
2.如权利要求1所述的电响应胶体晶体薄膜的制备方法，其特征在于所述的聚羧酸是指聚合物的单体含有羧基的聚合物。
3.如权利要求1所述的电响应胶体晶体薄膜的制备方法，其特征在于含聚羧酸的单分散微球组装成含聚羧酸的胶体晶体薄膜选择通过垂直提拉法、或水平推拉法、或夹片溶剂挥发法、或电泳辅助沉积法、或离心沉积法、或自然沉降法中的一种。
全文摘要
电响应胶体晶体薄膜的制备方法，是将含聚羧酸的单分散微球所组装成的胶体晶体薄膜与电极复合，并通过改变电场而改变聚羧酸周围的酸碱特性，从而促进胶体晶体的周期结构发生改变并进一步引发颜色的变化。该方法可以应用于显示及传感领域。具体步骤为A、由含聚羧酸的单分散微球组装成含聚羧酸的胶体晶体薄膜，B、将含聚羧酸的胶体晶体薄膜通过胶体晶体薄膜与电极粘连在一起，或是胶体晶体薄膜与电极机械夹持在一起，或是胶体晶体薄膜与电极在空间上分离但受到电极电场变化所引发的酸碱变化而与电极复合。
文档编号C08L101/00GK101075056SQ20071002449
公开日2007年11月21日 申请日期2007年6月19日 优先权日2007年6月19日
发明者张继中 申请人:东南大学